上帝不擲骰子是什麼意思?為什麼愛因斯坦要這樣說?

“上帝不會擲骰子”在整個科學史上是極其著名的一句話,這句話實際上是愛因斯坦用來反駁物理學家波爾關於量子力學的解釋。那具體是咋回事呢?

今天,我們就來聊一聊這個話題。

光學的發展

在自然界中,我們平時能夠接觸到的其實也就是聲、光、電、力、熱這些現象。而各個時代的學者都會對這些現象進行詮釋。只不過,光學的內容一直以來就屬於分歧是最大的一類。在古希臘時期,就有學者認為人之所以能夠看到東西,是因為人的眼睛會發光。後來,到了阿拉伯文明這裡,這個觀點被一位阿拉伯研究光學的學者糾正過來,他認為人可以看到東西,是因為這個東西反射光或者本身發光,光進入到眼睛當中,我們才能看到。

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然而就光學而言,最難的其實不是這個。而是哲學三問中的第一問,光到底是什麼?

牛頓作為科學史上可以躋身前二的大神,他就提出:光是一種粒子。這個觀點寫到了他的著作《光學》當中,這本書也被視為光學的奠基之作。由於他的江湖地位和聲望,他的這個觀點其實統治了整個學術圈相當長的時間。

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其實就在牛頓的同時代,也有一些學者提出,光其實是一種波,類似於水波。

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贊成這種觀點的學者也是鼎鼎大名,他就是惠更斯,也有很大的科學成就。除此之外,還有牛頓的死對頭胡克也認為光是一種波。但是他們的聲量確實比不過牛頓。牛頓之後,有個叫做托馬斯楊的學者做了一個科學史上最詭異的實驗:

楊氏雙縫干涉實驗。這個實驗似乎又在說明光是一種波。

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但這也就算了,麥克斯韋等人直接就在理論上統一了電和磁的現象,並預言電磁波的存在,光是一種電磁波。

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也就是說,牛頓之後,愛因斯坦之前被認為是最偉大的物理學家的麥克斯韋認為光是一種波,他就和牛頓的觀點是矛盾的。

上帝不擲骰子是什麼意思?為什麼愛因斯坦要這樣說?

由於麥克斯韋是那個時代的“牛頓”,“光的波動說”成為了那個時代的主流,也就是說,光是一種波。看起來,好像麥克斯韋一錘定音了,但沒多久,事情發生了反轉。如果假設光是一種波,也會遇到一些麻煩。這個麻煩叫做

黑體輻射。那什麼是黑體輻射呢?

量子力學

這裡其實我們不需要完全搞懂黑體輻射,我們只需要知道當時有個物理學教叫做普朗克,受了委託,在研究電燈泡為什麼會發黃光?而黑體輻射其實就是他研究這個問題的一個理想模型。

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他在研究時就發現一個問題,按照麥克斯韋的理論,那我們就需要假設“能量是連續”。但是如果是這樣,那理論預言總是實際會有很大的出路,這個誤差大到完全無法擬合的程度。

後來,普朗克受到另外一個物理學家玻爾茲曼的啟示,假設能量並不是連續的,而是一份份的,也就是說,能量存在這最小的基本單位,他把這個稱為量子。這時候得到的理論就可以和實驗結果很好地擬合在了一起。

其實普朗克本人是不太贊同這個觀念的,但結果就是這樣,他也只能接受。他的發現讓我們明白一個道理,任何的變化其實都存在著一個最小的單位,比如,距離和時間。任何變化都在以這個的整數倍來變化,而不是小於這個普朗克尺度。

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除此之外,微觀世界也是存在著最小的單位的。這個似乎也是在復活“光的粒子說”。這又把光的波粒大戰挑了起來。而隨之而來的就是量子力學的蓬勃發展。我們直接說最終科學家的爭論焦點到底是什麼?

還是要回到剛才上文提到的雙縫干涉實驗上。但是科學家就發現,如果實驗採用電子來做,那麼電子穿過雙縫之後,也會有干涉條紋,就是下圖中上面的樣子。但如果我們在雙縫的部位叫上攝像頭來觀測,這時候我們就得到了下圖中下面的樣子。

上帝不擲骰子是什麼意思?為什麼愛因斯坦要這樣說?

說白了,就是我們觀測和不觀測,最終得到的實驗結果是不同的。這是不是神奇?

如果你是面對這樣的問題,你會如何思考呢?

科學家也是撓破了頭,他們其實最糾結的地方是電子在穿過雙縫時是什麼狀態?

當時有一個著名的哥白哈根學派,領軍人物就是波爾。他們認為電子在通過雙縫前,在雙縫之前的所有位置,以概率雲的形式來描述,因此,在通過雙縫時,會出現的是干涉條紋,其實就是概率分佈。

上帝不擲骰子是什麼意思?為什麼愛因斯坦要這樣說?

如果我們用攝像頭觀測時,電子就會鎖定在某個位置上,因此,出現的是兩個條紋。

愛因斯坦認為這個說法簡直是忽悠,因為這相當於是說,當電子要達到屏幕前,電子自己都不知道自己會落到哪,只有到了要達到的那一刻,好像是擲了一下骰子,選了一個地方落上去。這種概率性的解釋是他無法接受的,因此,他反駁波爾說:上帝不會擲骰子。

上帝不擲骰子是什麼意思?為什麼愛因斯坦要這樣說?

而波爾也反擊到:愛因斯坦,不要指揮上帝如何做。

愛因斯坦和波爾的論戰是20世紀科學史上最著名的一段爭論,在這場爭論中,量子力學不斷地得到了完善。如今,我們來看這個問題,其實愛因斯坦堅持認為應該是有個確定的客觀規律來描述電子的軌跡,只是我們還不知道其中的機制。他的這個看法已經被實驗給否定了。除了愛因斯坦的想法和哥本哈根解釋,其實還有許多解釋,比如,平行宇宙理論等等,

在相當長的一段時間,哥本哈根解釋確實是主流的理論,但是近些年的一些實驗,也發現了這個解釋也是有瑕疵的。所以,其實量子力學如今還在發展和完善。


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